高效液相催化电解多元醇和葡萄糖制氢过程研究

发布时间：2020-04-24 02:11

【摘要】：氢气是一种重要的可再生清洁能源。与电解水制氢相比,电解醇类制取氢气的能耗显著降低,具有很好的开发前景。但电解过程中使用的贵金属催化剂不耐燃料中的杂质,容易中毒,并且在低温下不能有效切割多元醇的C-C键,制氢效率低。多金属氧酸盐POM是水溶性金属氧化物簇,能耐大多数的有机和无机杂质,POM在电解过程作为催化剂和电荷载体,可在较低温度下直接将醇类氧化产生氢气。本文采用POM作为液相催化剂,在加热的条件下醇类被POM氧化,同时电子转移到POM分子中,氧化态POM转化成还原态POM。在电解过程中,还原态POM在阳极失去电子重新转化为氧化态,醇类被氧化后释放质子,质子通过质子交换膜扩散到阴极被还原成氢气。首先,选取葡萄糖作为燃料,以磷钼酸PMo_(12)作为液相催化剂,探究预处理过程中加热温度、加热时间和溶液pH值对加热诱导反应的影响。结果显示,增加预处理时间、提高预处理温度,预处理前后调整pH值,可显著提高PMo_(12)催化剂的还原度和制氢性能。适宜的反应条件为:预处理温度是100℃、预处理时间是4 h,预处理前后调节溶液pH值。选取葡萄糖作为燃料,分别在电流密度为0.2、0.25和0.3 A/cm~2的条件下电解葡萄糖-PMo_(12)溶液。实验发现,在电解过程中电压保持稳定,在电流密度是0.2 A/cm~2时,产氢消耗的电能为1.755 kW·h/m~3,是电解水电能消耗的42.48%。选取甲醇、乙二醇、丙三醇、赤藓糖醇、木糖醇、山梨醇等六种多元醇,探究多元醇中羟基数目对制氢效果的影响。结果表明,多元醇中羟基的数目越多,PMo_(12)的还原度越高,电解所需的初始电压越低,在相同的电压下电流密度越高,电解过程消耗的电能越低。紫外分光光度计和核磁共振仪分析结果表明,羟基与PMo_(12)之间存在预缔合作用,这种作用在小型醇(甲醇、乙二醇)中很弱,会随着羟基数目的增多而增强。核磁共振氢谱、碳谱和红外光谱图显示,电解后阳极溶液的产物中含有羟基、醚键、醛基等官能团。多次循环电解发现,丙三醇与PMo_(12)反应会形成中间体。PMo_(12)作为液相催化剂,在电解过程中不仅能够被反复利用,而且还能提高丙三醇的制氢效率。
【图文】：

天津大学硕士学位论文，而是发生在溶液中。（2）不采用贵金属催化剂，采用多金属氧酸盐 P催化剂和电荷转移体，POM 可耐大多数有机和无机污染物，在电解过次重复利用。（3）电解过程阴极和阳极温度仅控制在 80℃，不需要在下进行。液相催化电解法制氢电能消耗少，制氢效率高，制氢成本低，污染，是非常具有发展前景的一种新型制氢方法。质子交换膜电解池（PEMEC)是电解生物质制氢的核心部分。PEMEC 墨流场板、聚丙烯塑料端板、Nafion 115 膜和聚四氟乙烯（PTFE）管构 1-1 所示，a 是 Nafion 115 膜，用于传递质子和电子。为了促进氢气更，在 Nafion 115 膜靠近阴极侧涂覆铂/碳催化剂。b 是石墨电极，由 2 块 3D 石墨极板构成，在极板表面刻有流道，在流道内侧需放入处理后的c 是聚丙烯塑料端板，用于固定电极板。f 和 g 的外侧连接着 PTFE 管，泵和电解池来输送流体。

天津大学硕士学位论文槽。在阴极槽内通入 O2，，O2将槽内的 POM-Ⅱ氧化，还原态 POM-Ⅱ转化为氧化态 POM-Ⅱ，通过蠕动泵将混合液循环通入到燃料电池的阴极。氧化态 POM-Ⅱ在阴极得到电子转化为还原态 POM-Ⅱ，重新回到阴极槽。在燃料电池的阴极侧和阳极侧负载电阻，可观察到电流的产生。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ116.2;O643.36

【参考文献】

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本文编号：2638406